JP4693003B2 - Processing method of micro-processing multi-sensor on substrate - Google Patents
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Abstract
Description
関連出願との相互参照
この出願は、「軸上及び軸外の方位を有する微細加工装置構造体」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮特許出願第60/466,082号の優先権を主張する。
連邦補助研究又は開発に関する表明
適用なし
Cross-reference to related applications This application is a US Provisional Patent Application No. 60 / 466,082, filed Apr. 28, 2003, entitled "Microfabricated Device Structure with On-axis and Off-axis Orientation". Claim priority.
Federal Academic Research or Development Statement N / A
背景技術
本発明は、一般的に集積化された角速度及び加速度センサ(“マルチセンサ”)に関し、特に1軸の加速度検知及び2軸の角速度検知を与えることが可能な微細加工マルチセンサと、そのようなマルチセンサを製造する技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to integrated angular velocity and acceleration sensors ("multi-sensors"), and more particularly to a micromachined multisensor capable of providing uniaxial acceleration detection and biaxial angular velocity detection, and its The present invention relates to a technique for manufacturing such a multisensor.
微細加工マルチセンサは、単一のセンサ装置で加速度検知及び角速度検知の示度を与えるための少なくとも1つの加速度計を備えるものとして知られている。「微細加工加速度計ジャイロスコープ」なる名称で1995年2月28日に発行された米国特許第5,392,650号に開示されているような従来の微細加工マルチセンサは、一対の加速度計を備え、各加速度計は、基板に固定された堅固な加速度計フレームと、複数の撓み体によって堅固なフレームから懸架された慣性質量(プルーフマス)とを有する。微細加工マルチセンサは典型的に、それに関連した単一の加速度検知軸と、この加速度軸に垂直な単一の回転検知軸とを有する。更に微細加工マルチセンサは典型的に、複数の慣性質量を加速度及び回転軸に垂直な振動軸に沿って逆相で同時に振動させるように構成されている。 Microfabricated multi-sensors are known as comprising at least one accelerometer for providing acceleration and angular velocity sensing readings with a single sensor device. A conventional micromachined multi-sensor as disclosed in US Pat. No. 5,392,650 issued February 28, 1995 under the name “micromachined accelerometer gyroscope” comprises a pair of accelerometers. Each accelerometer includes a rigid accelerometer frame fixed to the substrate and an inertial mass (proof mass) suspended from the rigid frame by a plurality of flexures. Microfabricated multisensors typically have a single acceleration sensing axis associated therewith and a single rotation sensing axis perpendicular to the acceleration axis. Further, microfabricated multisensors are typically configured to simultaneously vibrate a plurality of inertial masses in opposite phase along a vibration axis perpendicular to the acceleration and rotation axes.
慣性質量が同時に逆相の挙動で振動させられる間に線形及び回転運動を受ける従来の微細加工マルチセンサの場合、線形及びコリオリ加速度の力が発生されて、慣性質量を基板に対して偏向させる。マルチセンサは、それぞれの慣性質量の偏向を検知すると共に、その偏向の大きさに比例する値を有した対応する加速度検知信号を生成するように構成されている。線形加速度に対する振動中の慣性質量の応答は同相であり、またコリオリ加速度に対する慣性質量の応答は逆相であるので、検知信号の線形加速度成分(加速度検知情報を含む)と回転加速度成分(角速度検知情報を含む)は、それらの信号を好適に加算又は減算して回転又は線形成分をキャンセルすることによって分離できる。 In the case of a conventional micromachined multisensor that undergoes linear and rotational motion while the inertial mass is simultaneously vibrated in anti-phase behavior, linear and Coriolis acceleration forces are generated to deflect the inertial mass with respect to the substrate. The multi-sensor is configured to detect a deflection of each inertial mass and generate a corresponding acceleration detection signal having a value proportional to the magnitude of the deflection. The response of inertial mass during vibration to linear acceleration is in phase, and the response of inertial mass to Coriolis acceleration is out of phase, so the linear acceleration component (including acceleration detection information) and rotational acceleration component (angular velocity detection) of the detection signal Can be separated by suitably adding or subtracting the signals to cancel the rotation or linear components.
上述した従来の微細加工マルチセンサの1つの欠点は、それが典型的には1軸だけの加速度検知と、1軸だけの角速度検知とを与える点である。しかしながら、単一のセンサ装置において、1軸より多い加速度検知及び/又は角速度検知を与えることはしばしば有利である。 One drawback of the conventional microfabricated multisensor described above is that it typically provides only one axis of acceleration detection and only one axis of angular velocity detection. However, it is often advantageous to provide more than one axis acceleration sensing and / or angular velocity sensing in a single sensor device.
2つの回転検知軸に対する回転の速度を測定可能な第2の従来の微細加工センサが、「回転振動型質量を有する微細加工装置」なる名称で1999年2月9日に発行された米国特許第5,869,760号に記載されている。この微細加工センサは、一対の加速度計を備える。各加速度計は、複数の撓み体によって基板上に懸架された円形ビームの形状の質量と、加速度検知電極の隣接する対とを有する。この微細加工センサに関連した2つの回転検知軸は基板の面内にある。更に、この微細加工センサは、円形ビームを逆相の挙動で回転振動させるように、即ち一方の円形ビームを時計方向/反時計方向に交互に回転させる間に、他方の円形ビームを逆方向に実質的に同じ量だけ回転させるように構成されている。 A second conventional microfabricated sensor capable of measuring the speed of rotation with respect to two rotation detection axes is a U.S. patent issued on Feb. 9, 1999 under the name "microfabrication apparatus having rotational vibration type mass". No. 5,869,760. This microfabricated sensor includes a pair of accelerometers. Each accelerometer has a mass in the form of a circular beam suspended on a substrate by a plurality of flexures and an adjacent pair of acceleration sensing electrodes. The two rotation detection axes associated with this microfabricated sensor are in the plane of the substrate. Furthermore, this microfabricated sensor is designed to rotate and vibrate a circular beam in anti-phase behavior, ie while rotating one circular beam alternately clockwise / counterclockwise, the other circular beam is reversed. It is configured to rotate by substantially the same amount.
円形ビームが同時に逆相の挙動で振動させられる間に線形及び回転運動を受ける第2の従来の微細加工センサの場合、線形及びコリオリ加速度の力が発生されて、ビームを基板に対して偏向させる。加速度検知電極は、それぞれのビームの偏向を検知すると共に、偏向の大きさと回転検知軸に対する回転の速度に比例した対応する加速度検知信号を生成する。検知信号の回転加速度成分(角速度検知情報を含む)の符号は円形ビームの回転の方向に対応しているので、回転成分は、それらの信号を好適に減算して線形成分をキャンセルすることによって、検知信号の線形加速度成分から分離され得る。しかしながら、この微細加工センサは、1軸より多い角速度検知を与えることが可能であるが、典型的にそれが加速度検知情報を与えないという欠点を有する。 In the case of a second conventional microfabricated sensor that undergoes linear and rotational motion while the circular beam is simultaneously vibrated in anti-phase behavior, linear and Coriolis acceleration forces are generated to deflect the beam relative to the substrate. . The acceleration detection electrode detects the deflection of each beam and generates a corresponding acceleration detection signal proportional to the magnitude of the deflection and the speed of rotation relative to the rotation detection axis. Since the sign of the rotational acceleration component (including angular velocity detection information) of the detection signal corresponds to the direction of rotation of the circular beam, the rotational component is preferably subtracted from these signals to cancel the linear component, It can be separated from the linear acceleration component of the sense signal. However, although this microfabricated sensor can provide angular velocity detection of more than one axis, it typically has the disadvantage that it does not provide acceleration detection information.
微細加工センサ及びマルチセンサを製造する従来の既知の技術は、製造プロセスで犠牲及び構造材料の層を使用する。1つのそのような製造技術は表面微細加工として知られており、この場合、微細加工装置は実質的に基板の表面上に製造される。従来の表面微細加工技術は、犠牲材料(例えば、二酸化シリコンSiO2)や構造材料(例えば、ポリシリコン)の層を、基板(例えば、シリコン)の表面上に堆積する。構造材料は、微細加工装置の機能部品の構築に使用され、犠牲材料は、その後に製造プロセスの最終工程で除去される。犠牲又は構造材料の堆積層は、マスクパターンによってマスクされる。このマスクパターンは、典型的にはフォトリソグラフ法を使用して転写される。次に、マスクによって保護されていない下地の材料はエッチングされて、マスクパターンをその特別な材料層に転写する。堆積する工程、マスクする工程、及びエッチングする工程は、微細加工装置の機能部品の構築が完了されるまで繰り返される。最後に、構造材料の1以上の部分が、下地及び/又は周囲の犠牲材料をエッチングするか、そうでなければ除去することによって、離される。従来の表面微細加工技術は、典型的に低コストであり、また一般に電子回路が微細加工装置の機能部品の近くに組み込まれることを可能にする。 Prior known techniques for fabricating microfabricated sensors and multi-sensors use sacrificial and structural material layers in the manufacturing process. One such manufacturing technique is known as surface micromachining, in which the micromachining device is manufactured substantially on the surface of the substrate. Conventional surface micromachining techniques deposit a layer of sacrificial material (eg, silicon dioxide SiO 2 ) or structural material (eg, polysilicon) on the surface of a substrate (eg, silicon). The structural material is used to build the functional parts of the microfabrication device and the sacrificial material is subsequently removed in the final step of the manufacturing process. The deposited layer of sacrificial or structural material is masked by a mask pattern. This mask pattern is typically transferred using a photolithographic method. The underlying material that is not protected by the mask is then etched to transfer the mask pattern to that special material layer. The step of depositing, the step of masking, and the step of etching are repeated until the construction of the functional parts of the microfabrication apparatus is completed. Finally, one or more portions of the structural material are released by etching or otherwise removing the underlying and / or surrounding sacrificial material. Conventional surface micromachining techniques are typically low cost and generally allow electronic circuitry to be incorporated near the functional components of the micromachining equipment.
しかしながら、従来の表面微細加工技術は、微細加工センサ及びマルチセンサの製造に使用されるときに欠点を有する。例えば、微細加工マルチセンサは、典型的にアラインメント及び/又は幅がセンサ装置の最適性能にとって重要な少なくとも1つの機能部品を有する。センサ装置の機能部品の構築に使用されるマスクパターンは、典型的に直線状グリッドの水平及び垂直の空間に従ってレイアウトされるので、そのような重要な機能センサ部品のアラインメント及び幅を得ることは難しい。
それ故、加速度検知及び角速度検知の双方を与えると共に、上述した従来の微細加工センサ装置の欠点を回避する微細加工マルチセンサ装置を有することが望ましい。
However, conventional surface micromachining techniques have drawbacks when used in the manufacture of micromachined sensors and multisensors. For example, microfabricated multi-sensors typically have at least one functional component whose alignment and / or width is important for optimal performance of the sensor device. Since the mask pattern used to build the functional parts of the sensor device is typically laid out according to the horizontal and vertical space of the linear grid, it is difficult to obtain the alignment and width of such important functional sensor parts. .
Therefore, it is desirable to have a microfabricated multi-sensor device that provides both acceleration and angular velocity detection and avoids the disadvantages of the conventional microfabricated sensor devices described above.
発明の簡単な要約
本発明によれば、1軸の加速度検知及び2軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、すくなくとも一対の加速度計を備え、各加速度計は、1以上の検知軸に対する加速度検知及び角速度検知に属する情報を含んだ電気的に独立した検知信号を与える。
BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a micromachined multisensor that provides uniaxial acceleration sensing and biaxial angular velocity sensing is disclosed. The microfabricated multi-sensor disclosed here includes at least a pair of accelerometers, and each accelerometer provides an electrically independent detection signal including information belonging to acceleration detection and angular velocity detection for one or more detection axes. .
第1の実施形態において、微細加工マルチセンサは、一対の加速度計を備え、各加速度計は、複数の撓み体によって基板上に懸架されると共に、そこに固定された質量を有する。このマルチセンサは、基板の面内で相互に直交した2つの関連する回転検知軸と、この2つの回転軸に垂直な1つの関連した加速度検知軸とを有する。更に、各質量は、それに関連した横及び縦の対称軸と、この横及び縦の対称軸に垂直な駆動回転軸とを有する。各加速度計は更に、それぞれの質量の横軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第1の対と、縦軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第2の対とを有する。マルチセンサは更に、フォーク部材を有する。このフォーク部材は、2つの質量を結合して、これら質量の相対的な逆相移動を許容すると共に同相移動には抵抗する。質量を基板に固定する複数の撓み体の構成は、質量が基板に対して回転挙動でのみ移動するように強制するものである。 In the first embodiment, the microfabricated multi-sensor includes a pair of accelerometers, and each accelerometer is suspended on the substrate by a plurality of flexures and has a mass fixed thereto. The multi-sensor has two associated rotation sensing axes that are orthogonal to each other in the plane of the substrate and one associated acceleration sensing axis that is perpendicular to the two rotation axes. Furthermore, each mass has a transverse and longitudinal symmetry axis associated with it and a drive rotation axis perpendicular to the transverse and longitudinal symmetry axis. Each accelerometer further includes a first pair of acceleration sensing electrode structures disposed along a horizontal axis of the respective mass and a second pair of acceleration sensing electrode structures disposed along a vertical axis. And have. The multisensor further has a fork member. The fork member couples the two masses to allow relative reverse phase movement of the masses and resists in-phase movement. The configuration of the plurality of flexures that fix the mass to the substrate forces the mass to move only in a rotational manner relative to the substrate.
ここに開示されている実施形態において、微細加工マルチセンサは、駆動電極構造体を有する。この駆動電極構造体は、質量を逆相で回転振動させるように、即ち一方の質量をその回転軸を中心として時計方向/反時計方向に交互に回転させる間に、他方の質量をその回転軸を中心として逆方向に実質的に同じ量だけ回転させるように構成されている。回転振動する質量を有したマルチセンサが線形及び/又は回転運動を受ける場合、加速度検知電極の第1及び第2の対は、電気的に独立した検知信号を、質量に加わる線形及びコリオリ加速度の力に基づいて生成する。マルチセンサは、(1)第1の加速度計の加速度検知電極の第1の対によって検知された加速度の差を、第2の加速度計の加速度検知電極の第1の対によって検知された加速度の差に加算して、マルチセンサの横回転軸に対する角速度検知に属する情報を得るように、また(2)第1の加速度計の加速度検知電極の第2の対によって検知された加速度の差を、第2の加速度計の加速度検知電極の第2の対によって検知された加速度の差に加算して、マルチセンサの縦回転軸に対する角速度検知に属する情報を得るように、更に(3)第1の加速度計の加速度検知電極の第1の対によって検知された加速度の和と、第2の加速度計の加速度検知電極の第1の対によって検知された加速度の和と、第1の加速度計の加速度検知電極の第2の対によって検知された加速度の和と、第2の加速度計の加速度検知電極の第2の対によって検知された加速度の和を合計して、マルチセンサの加速度軸に対する加速度検知に属する情報を得るように構成されている。 In the embodiment disclosed herein, the microfabricated multisensor has a drive electrode structure. The drive electrode structure is configured to rotate and vibrate the mass in the opposite phase, that is, while rotating one mass alternately clockwise / counterclockwise about the rotation axis, About the same amount in the opposite direction. When a multi-sensor with a mass that oscillates in rotation undergoes linear and / or rotational motion, the first and second pairs of acceleration sensing electrodes generate electrically independent sensing signals for linear and Coriolis acceleration applied to the mass. Generate based on force. The multisensor (1) detects the difference in acceleration detected by the first pair of acceleration detection electrodes of the first accelerometer, and determines the difference in acceleration detected by the first pair of acceleration detection electrodes of the second accelerometer. In order to add to the difference to obtain information belonging to angular velocity detection with respect to the horizontal rotation axis of the multi-sensor, and (2) the difference in acceleration detected by the second pair of acceleration detection electrodes of the first accelerometer, (3) First (3) so as to obtain information belonging to angular velocity detection with respect to the longitudinal rotation axis of the multisensor by adding to the difference in acceleration detected by the second pair of acceleration detection electrodes of the second accelerometer The sum of acceleration detected by the first pair of acceleration sensing electrodes of the accelerometer, the sum of acceleration detected by the first pair of acceleration sensing electrodes of the second accelerometer, and the acceleration of the first accelerometer By a second pair of sensing electrodes So as to obtain the information belonging to the acceleration detection with respect to the acceleration axis of the multi-sensor by summing the sum of the accelerations detected in this step and the sum of the accelerations detected by the second pair of acceleration detection electrodes of the second accelerometer. It is configured.
第2の実施形態において、微細加工マルチセンサは、四角形を形成するように配置された2対の加速度計を備える。各加速度計は、基板上に懸架されると共に、そこに固定された質量を有する。この微細加工マルチセンサは更に、質量の隣接する対を結合して、隣接する質量の相対的な逆相移動を許容すると共に同相移動には抵抗するそれぞれのフォーク部材を有する。このマルチセンサは、基板の面内で相互に直交した2つの関連する回転検知軸と、この2つの回転検知軸に垂直な1つの関連した加速度検知軸とを有する。各質量は更に、それぞれの質量の横軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第1の対と、縦軸に沿って配設された加速度検知電極構造体の第2の対とを有する。2対の加速度計は、鏡像式にそれぞれの回転軸の逆側に配置されている。微細加工マルチセンサの第2の実施形態の強化された対称性故に、このマルチセンサ装置は、より簡単にダイ上に中心決めされ、これによりダイ表面積歪み及び勾配の有害な影響を低減することができる。 In the second embodiment, the microfabricated multi-sensor includes two pairs of accelerometers arranged to form a quadrangle. Each accelerometer is suspended on a substrate and has a mass fixed thereto. The microfabricated multisensor further includes respective fork members that couple adjacent pairs of masses to allow relative reverse phase movement of adjacent masses and resist in-phase movement. The multi-sensor has two associated rotation sensing axes that are orthogonal to each other in the plane of the substrate and one associated acceleration sensing axis perpendicular to the two rotation sensing axes. Each mass further includes a first pair of acceleration sensing electrode structures disposed along a horizontal axis of the respective mass, and a second pair of acceleration sensing electrode structures disposed along a vertical axis. Have The two pairs of accelerometers are arranged in mirror images on opposite sides of the respective rotation axes. Because of the enhanced symmetry of the second embodiment of the microfabricated multisensor, the multisensor device can be more easily centered on the die, thereby reducing the deleterious effects of die surface area distortion and gradient. it can.
第3の実施形態において、微細加工マルチセンサを製造する方法は、犠牲材料又は構造材料の層を基板表面上に堆積する。構造材料はセンサ装置の機能部品の構築に使用され、また犠牲材料はその後に製造プロセスの最終工程で除去される。犠牲又は構造材料の堆積層は、マスクパターンによってマスクされる。このマスクパターンは、複数の水平及び垂直の空間を持つ直線状グリッドを使用して形成される。マスクパターンは、センサ装置の機能部品を規定することに使用される。微細加工マルチセンサが、少なくとも1つの第1の機能部品を有し、そのアラインメント及び/又は幅がセンサ装置の最適性能に対して重要である場合、その第1の機能部品は、その縦軸がマスクの水平又は垂直軸と実質的に平行になるように、マスクパターンによって規定される。微細加工マルチセンサが、少なくとも1つの第2の機能部品を有し、そのアラインメント及び/又は幅が最適センサ性能に対して重要でない場合、その第2の機能部品は、その縦軸がマスクの水平及び垂直軸と平行にならないように、マスクパターンによって規定される。 In a third embodiment, a method of manufacturing a microfabricated multisensor deposits a layer of sacrificial material or structural material on a substrate surface. The structural material is used to build the functional parts of the sensor device, and the sacrificial material is subsequently removed in the final step of the manufacturing process. The deposited layer of sacrificial or structural material is masked by a mask pattern. This mask pattern is formed using a linear grid having a plurality of horizontal and vertical spaces. The mask pattern is used to define the functional parts of the sensor device. If the microfabricated multi-sensor has at least one first functional component, and the alignment and / or width is important for the optimal performance of the sensor device, the first functional component has its longitudinal axis It is defined by the mask pattern so as to be substantially parallel to the horizontal or vertical axis of the mask. If the microfabricated multi-sensor has at least one second functional component and its alignment and / or width is not important for optimal sensor performance, the second functional component has its vertical axis horizontal to the mask. And is defined by the mask pattern so as not to be parallel to the vertical axis.
上述した微細加工マルチセンサが少なくとも一対の加速度計を含み、各加速度計が質量を有して、この質量の横及び縦の対称軸に沿う電気的に独立した加速度検知信号の2つの対をそれぞれ与えるように構成されると、この加速度検知信号を適切に加算及び/又は減算することによって、1軸の加速度検知と2軸の角速度検知を得ることができる。更に、センサ装置の機能部品を少なくとも1つのマスクで規定して、重要な(臨界的な)アラインメント及び/又は物理的寸法を有する部品はマスクの水平又は垂直軸と実質的に平行に配設され、また重要でない(非臨界的な)部品はマスク軸外に方位付けされることによって、改良されたセンサ性能が達成される。
この発明の他の特徴、機能及び形態は、後続の発明の詳細な説明から明らかになる。
The microfabricated multi-sensor described above includes at least a pair of accelerometers, each accelerometer having a mass, each of two pairs of electrically independent acceleration sensing signals along the transverse and longitudinal symmetry axes of the mass. When configured to give, by appropriately adding and / or subtracting this acceleration detection signal, it is possible to obtain one-axis acceleration detection and two-axis angular velocity detection. Furthermore, the functional parts of the sensor device are defined by at least one mask, and parts having important (critical) alignments and / or physical dimensions are arranged substantially parallel to the horizontal or vertical axis of the mask. Also, non-critical (non-critical) parts are oriented off the mask axis to achieve improved sensor performance.
Other features, functions and forms of the invention will become apparent from the detailed description of the invention that follows.
図面の簡単な説明
この発明は、図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解される。図面において、
図1は、本発明に係る微細加工マルチセンサの単純化されたブロック図、
図2は、図1の微細加工マルチセンサの詳細平面図、
図3は、図1の微細加工マルチセンサ用の加速度検知信号処理回路の模式図、
図4は、図1の微細加工マルチセンサの代替実施形態の単純化されたブロック図、
図5は、図4の微細加工マルチセンサの詳細平面図、
図6は、図2の微細加工マルチセンサを動作させる方法のフロー図、
図7a〜7dは、図4の微細加工マルチセンサの機能部品の詳細図、
図8a〜8bは、マルチセンサ装置を製造する方法を示した図4の微細加工マルチセンサの断面図、
図9は、図4の微細加工マルチセンサを製造する方法のフロー図である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be more fully understood by reference to the following detailed description of the invention taken in conjunction with the drawings. In the drawing
FIG. 1 is a simplified block diagram of a microfabricated multisensor according to the present invention,
2 is a detailed plan view of the microfabricated multi-sensor of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram of an acceleration detection signal processing circuit for the microfabricated multisensor of FIG.
FIG. 4 is a simplified block diagram of an alternative embodiment of the microfabricated multisensor of FIG.
5 is a detailed plan view of the microfabricated multi-sensor of FIG.
6 is a flow diagram of a method for operating the microfabricated multi-sensor of FIG.
7a-7d are detailed views of functional parts of the microfabricated multi-sensor of FIG.
8a-8b are cross-sectional views of the microfabricated multisensor of FIG. 4 showing a method of manufacturing a multisensor device,
FIG. 9 is a flow diagram of a method of manufacturing the microfabricated multisensor of FIG.
発明の詳細な説明
「軸上及び軸外の方位を有する微細加工装置構造体」なる名称で2003年4月28日に出願された米国仮特許出願第60/466,082号は、参照によりここに組み込まれる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION US Provisional Patent Application No. 60 / 466,082, filed April 28, 2003, entitled “Microfabricated Device Structure with On-Axis and Off-Axis Orientation”, is hereby incorporated by reference. Incorporated into.
単一のセンサ装置に1軸の加速度検知及び2軸の角速度検知を与える微細加工マルチセンサが開示される。ここで開示される微細加工マルチセンサは、ダイ上に対称的に置かれ、これにより歩留まりを改良すると共に、マルチセンサ装置全体の性能を改良する。 A micromachined multi-sensor that provides single axis acceleration detection and biaxial angular velocity detection in a single sensor device is disclosed. The microfabricated multisensor disclosed herein is placed symmetrically on the die, thereby improving yield and improving the overall performance of the multisensor device.
図1は、本発明による微細加工マルチセンサ100の図解的実施形態を示している。この図解的実施形態において、マルチセンサ100は、一対の加速度計102及び104を備える。加速度計102及び104は、それぞれが実質的に円形である質量103及び105をそれぞれ有する。ここで理解されるべき点は、質量103及び105はその代わりに、実質的に四角形、六角形、八角形、又は他の好適な幾何学的形状でもよい、ということである。円形質量103及び105は、複数の撓み体(図示せず)によって基板101に固定され、その上に懸架されている。マルチセンサ100は更に、フォーク部材106を有する。このフォーク部材は、2つの円形質量103及び105を結合して、これら質量の相対的な逆相移動を許容すると共に同相移動には抵抗するように構成されている。円形質量103及び105を固定しそれらを基板101上に懸架する複数の撓み体の構成は、これら質量が基板101に対して実質的に回転挙動でのみ移動するように強制するものである。
FIG. 1 shows an illustrative embodiment of a
例えば基板101は、シリコン基板や、他の好適なタイプの基板でよい。更に基板101は、好適なバルク微細加工プロセス、例えば表面微細加工を経て、マイクロ電子機械システム(MEMS)のマルチセンサを形成することができる。ここで留意されるべき点は、円形質量103及び105とMEMSマルチセンサ100の結合フォーク106は、従来の好適なプロセスによって形成することができる、ということである。
For example, the
図1に示されるように、マルチセンサ100は、基板101の面内で相互に直交した2つの関連する回転検知軸X及びYと、この回転軸X及びYに垂直な(即ち、基板101に垂直な)1つの関連する加速度検知軸Zとを有している。このマルチセンサ100は、回転軸X及びYに対する角速度検知の2つの示度と、加速度軸Zに対する加速度検知の1つの示度を与えるように構成されている。更に、円形質量103及び105の各々は、それに関連して、横及び縦の対称軸(符号なし)と、この横及び縦軸に垂直な回転軸(即ち、それぞれ回転軸142及び144、図1参照)とを有する。
As shown in FIG. 1, the multi-sensor 100 includes two related rotation detection axes X and Y that are orthogonal to each other in the plane of the
マルチセンサ100はまた、それぞれの円形質量103及び105の縦及び横軸に沿って配設された加速度検知電極構造体108〜115を有する。具体的に、加速度検知電極構造体108〜109及び112〜113は、円形質量103のそれぞれ縦及び横軸に沿って互いに正反対に対向し、また加速度検知電極構造体110〜111及び114〜115は、円形質量105のそれぞれ縦及び横軸に沿って互いに正反対に対向する。加速度検知電極構造体108〜115の各構造体は、それぞれの円形質量の表面上に配設された第1の電極と、この第1の電極に対向して基板101の表面上に配設された第2の電極とを有して、第1及び第2の電極間の距離に基づいて増減する容量値を持つ差動容量を形成する。マルチセンサ100は、容量値の変化を検知して、電気的に独立した加速度検知信号を与えるように構成された回路を有する。これら加速度検知信号は、それぞれ回転軸X,Y及び加速度軸Zに対する角速度検知及び加速度検知に属する情報を含んでいる。例えば、加速度検知電極構造体108〜115の第1及び第2の電極の各々は、多結晶シリコン(“ポリシリコン”)、拡散領域、金属、または他の好適な材料によって作ることができる。
Multi-sensor 100 also has acceleration sensing electrode structures 108-115 disposed along the vertical and horizontal axes of respective
図2は、微細加工マルチセンサ100(図1参照)の詳細平面図200を示している。図2に示されているように、微細加工マルチセンサ200は、一対の加速度計202及び204を有する。加速度計202及び204は、実質的に円形の質量203及び205をそれぞれ有する。これら質量は、複数の撓み構造体によって基板201例えばシリコン基板に固定され、その上に懸架されている。具体的に、円形質量203を固定し懸架する撓み構造体の各々は、アンカー270と、応力軽減部材260とを有し、また円形質量205を固定し懸架する撓み構造体の各々は、アンカー272と、応力軽減部材262とを有する。この図解的実施形態において、応力軽減部材260及び262の各々は、応力を軽減するように中心を自由にして半分に折り畳まれている。この構成は、復元力およびモーメントの局部的非対称性を幾分生じさせるので、折り畳まれた部材260及び262は、対として配置されてバランスを維持する(図2参照)。
FIG. 2 shows a
マルチセンサ200は更に、フォーク部材206と、加速度検知電極構造体208〜215とを有する。フォーク部材206は、従来既知であるように、2つの円形質量203及び205を結合して、これら質量の相対的な逆相回転移動を許容すると共に同相回転移動には抵抗するように構成されている。加速度検知電極構造体208〜215は、それぞれの円形質量203及び205の縦及び横軸に沿って配設されている。
The multi-sensor 200 further includes a
ここで留意されるべき点は、円形質量203及び205と、フォーク部材206と、加速度検知電極構造体208〜215は、それぞれマルチセンサ100の円形質量103及び105と、フォーク部材106と、加速度検知電極構造体108〜115(図1参照)と実質的に等価である、ということである。更に、図3に示されているように、回転検知軸X及びYと加速度検知軸Zは、図1を参照して上述された回転検知軸X及びYと加速度検知軸Zに対応している。
It should be noted that the
図2に示されているように、マルチセンサ200は、基板201に固定された複数の駆動電極構造体240及び242を有する。これら駆動電極構造体は、円形質量203及び205を逆相で回転振動させるように、即ち一方の質量をその回転軸を中心として時計方向/反時計方向に交互に同時に回転させる間に、他方の円形質量をその回転軸を中心として逆方向に実質的に同じ量だけ回転させるように構成されている。具体的に、駆動電極構造体240は、円形質量203を、回転軸282を中心として回転振動させるために使用され、駆動電極構造体242は、円形質量205を、回転軸284を中心として回転振動させるために使用される。ここで開示された実施形態において、駆動電極構造体240及び242は、円形質量203及び205の半径軸に沿ってそれぞれ配設されている。駆動電極構造体240及び242の各々は、円形質量203及び205の少なくとも1つの半径エッジからそれぞれ延びた対応する複数の指と噛み合わされた複数の電極(“指”)を有する。駆動電極構造体240及び242は、信号源(図示せず)に結合されている。この信号源は、方向性のある矢印280によって示されるように、質量203及び205を逆相の発振挙動で回転振動させるように動作する駆動信号を発生するためのものである。
As shown in FIG. 2, the multi-sensor 200 has a plurality of
マルチセンサ200は更に、基板201に固定されると共に円形質量203及び205の振動速度をそれぞれ検知するように構成された複数の速度検知電極構造体250及び252を有する。ここで開示された実施形態において、速度検知電極構造体250及び252は、円形質量203及び205の半径軸に沿ってそれぞれ配設されている。更に、速度検知電極構造体250及び252は、円形質量203及び205の半径エッジからそれぞれ延びた対応する複数の指と噛み合わされた複数の指を有する。速度検知電極構造体250及び252の噛み合わされた指は、円形質量203及び205が時計方向に回転しているか反時計方向に回転しているかに基づいて増減する容量値を持つ差動容量を形成する。マルチセンサ200は、容量値のこれらの変化を検知すると共に、円形質量203及び205の振動速度を示す速度検知信号を、変化する容量値に基づいて与えるように構成された回路(図示せず)を有する。
Multi-sensor 200 further includes a plurality of velocity
当業者が認めるように、円形質量203及び205がそれぞれ回転軸282及び284を中心として振動する間に、マルチセンサ200が質量203及び205の半径軸(符号なし)を中心として回転すると、質量203及び205はそれぞれの回転軸282及び284に沿ってコリオリ加速度を受ける。更に、円形質量203及び205は逆相で振動するので、コリオリ加速度はそれぞれの質量に逆方向に加えられる。その結果、見かけ上のコリオリの力は円形質量203及び205に加えられて、質量203及び205を基板201に対し逆方向に偏向する。
As will be appreciated by those skilled in the art, when the multi-sensor 200 rotates about the radial axis (unsigned) of the
例えば、図2において“+”及び“−”符号は、加えられたコリオリの力に起因する円形質量203及び205の偏向の相対方向を示すことに使用されている。図2に示されるように、質量203の加速度検知電極構造体208〜209及び212〜213には、それぞれ−,+,−,+が付されている。また、質量205の対応する加速度検知電極構造体210〜211及び214〜215には、それぞれ逆の符号+,−,+,−が付されている。これは、加えられたコリオリの力が質量203及び205のこれら対応する領域を基板201に対し逆方向に偏向することを示すためである。
For example, the “+” and “−” signs in FIG. 2 are used to indicate the relative direction of deflection of the
ここで留意されるべき点は、円形質量203の縦軸に沿った加速度検知電極構造体208〜209と横軸に沿った加速度検知電極構造体212〜213には、それぞれ逆の符号−及び+が付されている、ということである。同様に、円形質量205の縦軸に沿った加速度検知電極構造体201〜211と横軸に沿った加速度検知電極構造体214〜215には、それぞれ逆の符号+及び−が付されている。これは、ここで開示されている実施形態では、円形質量203及び205が、加えられたコリオリの力に応答して基板201に対し傾斜するように構成された堅固な構造体だからである。
It should be noted that the acceleration
更に、加えられたコリオリの力は円形質量203及び205を逆方向に偏向するので、回転軸X及びYについてのコリオリ加速度に対する質量203及び205の応答は逆相となる。これに対し、加速度軸Zについての線形加速度に対する円形質量203及び205の応答は同相となる。従って、加速度検知電極構造体208〜215を介して与えられた電気的に独立した検知信号は好適に加算及び/又は減算されて、検知信号から線形加速度に対応する情報(即ち、加速度検知情報)を抽出すると共にコリオリ加速度に対応する情報(即ち、角速度検知情報)を抽出することができる。
Furthermore, since the applied Coriolis force deflects the
図3は、加速度検知信号処理回路300の図解的実施形態を示している。この回路は、加速度検知電極構造体208〜215(図2参照)によって与えられる加速度検知信号から加速度検知情報及び角速度検知情報を抽出するように構成されている。例えば、信号処理回路300は、マルチセンサ200と同じ基板上に実装できる。この図解的実施形態の検知信号処理回路300は、複数の加算増幅器302〜306と、複数の差動増幅器308〜309とを有する。これらは、加速度検知電極構造体208〜215によって検知された加速度を加減算して、加速度及び角速度検知の情報を抽出する。
FIG. 3 shows an illustrative embodiment of the acceleration detection
具体的に、加速度検知電極構造体208〜209によって検知された加速度は、加速度軸Zに対する線形成分Azと、回転軸Yに対する経時変化性の回転成分ay(w)とを含み、また加速度検知電極構造体210〜211によって検知された加速度は、加速度軸Zに対する線形成分Bzと、回転軸Yに対する経時変化性の回転成分by(w)とを含む。ここで留意されるべき点は、回転成分ay(w)及びby(w)は角振動周波数wで変化するもので、振動速度ベクターに垂直な半径軸を中心とした回転の速度に比例している。質量203及び205の振動速度は対向的であるので、加速度検知電極構造体208〜209によって検知された加速度は、それぞれAz+ay(w)及びAz−ay(w)となり、また加速度検知電極構造体210〜211によって検知された加速度は、それぞれBz+by(w)及びBz−by(w)となる。同様に、加速度検知電極構造体212〜213によって検知された加速度は、それぞれAz+ax(w)及びAz−ax(w)となり、また加速度検知電極構造体214〜215によって検知された加速度は、それぞれBz+bx(w)及びBz−bx(w)となる。
Specifically, the acceleration detected by the acceleration
上述したように、回転軸X及びYについてのコリオリ加速度に対する円形質量203及び205(図2参照)の応答は逆相となるのに対し、加速度軸Zについての線形加速度に対する円形質量203及び205の応答は同相となる。従って、回転軸X及びYについてのコリオリ加速度に対する円形質量203及び205の応答は、加速度ay(w)及び−ay(w)と、by(w)及び−by(w)と、ax(w)及び−ax(w)と、bx(w)及び−bx(w)とによって表されるように、逆相となるのに対し、加速度軸Zについての線形加速度に対する質量203及び205の応答は、加速度AzとBzとによって表されるように、同相となる。
As described above, the response of the
図3に示されているように、電極構造体213〜214によってそれぞれ検知された加速度Az−ax(w)及びBz+bx(w)を表す信号は、加算増幅器302に供給される。この加算増幅器は、これら加速度を加算して、その結果生ずる和を差動増幅器308に与えるように構成されている。同様に、電極構造体212及び215によってそれぞれ検知された加速度Az+ax(w)及びBz−bx(w)を表す信号は、加算増幅器303に供給される。この加算増幅器は、これら加速度を加算して、その結果生ずる和を差動増幅器308に与えるように構成されている。この増幅器308は、そこに与えられるそれぞれの信号和を減算して、回転軸Xに対する角速度検知(“X−角速度”)を示す信号2ax(w)+2bx(w)を発生する。
As shown in FIG. 3, signals representing accelerations Az−ax (w) and Bz + bx (w) detected by the
更に、電極構造体208及び211によってそれぞれ検知された加速度Az+ay(w)及びBz−by(w)を表す信号は、加算増幅器304に供給される。この加算増幅器は、これら加速度を加算して、その結果生ずる和を差動増幅器309に与えるように構成されている。電極構造体209〜210によって検知された加速度Az−ay(w)及びBz+by(w)を表す信号は、加算増幅器305にそれぞれ供給される。この加算増幅器は、これら加速度を加算して、その結果生ずる和を差動増幅器309に与えるように構成されている。この増幅器309は、そこに加えられる信号和を減算して、回転軸Yに対する角速度検知(“Y−角速度”)を示す信号2ay(w)+2by(w)を発生する。更に、加算増幅器302〜305は、それらのそれぞれの信号出力を加算増幅器306に供給する。この加算増幅器は、加速度軸Zに対する加速度検知(“Z−加速度”)を示す信号4Az+4Bzを発生する。
Further, signals representing accelerations Az + ay (w) and Bz−by (w) detected by the
図4は、本発明に係る微細加工マルチセンサ400の第2の図解的実施形態を示している。この図解的実施形態のマルチセンサ400は、四角形を形成するように配置された2対の加速度計402及び404と、406及び408とを備える。この加速度計402,404,406及び408は、各々が実質的に四角形状にされた質量403,405,407及び409をそれぞれ有する。しかしながら、ここで理解されるべき点は、質量403,405,407及び409は、実質的に円形、六角形、八角形、又は他の好適な幾何学的形状でもよい、ということである。
FIG. 4 shows a second illustrative embodiment of a
四角形の質量403,405,407及び409は、複数の撓み体(図示せず)によって基板401上に懸架されて、そこに固定されている。マルチセンサ400は更に、隣接する質量403及び405を結合するフォーク部材410と、隣接する質量403及び407を結合するフォーク部材412と、隣接する質量407及び409を結合するフォーク部材414と、隣接する質量405及び409を結合するフォーク部材416とを有する。フォーク部材410,412,414及び416は、質量403,405,407及び409を結合して、回転軸452,454,456及び458を中心とした隣接する質量の相対的な逆相回転移動を許容すると共に同相回転移動に抵抗する。
The
マルチセンサ200の基板201(図2参照)と同様に、マルチセンサ400の基板401(図4参照)は、シリコン基板、または他の好適なタイプの基板で構成される。更に、基板401は、好適なバルク微細加工プロセス、例えば表面微細加工を経て、MEMSマルチセンサ装置を形成することができる。
Similar to the substrate 201 (see FIG. 2) of the multisensor 200, the substrate 401 (see FIG. 4) of the multisensor 400 is comprised of a silicon substrate or other suitable type of substrate. Furthermore, the
図4に示されているように、マルチセンサ400は、基板401の面内で相互に直交した2つの関連する回転検知軸X及びYと、この回転軸X及びYに垂直な1つの関連する加速度検知軸Zとを有している。マルチセンサ200(図2参照)と同様に、マルチセンサ400は、回転軸X及びYに対する角速度検知の2つの示度と、加速度軸Zに対する加速度検知の1つの示度を与える。
As shown in FIG. 4, the multi-sensor 400 has two associated rotation sensing axes X and Y that are orthogonal to each other in the plane of the
マルチセンサ400はまた、質量403,405,407及び409の縦及び横軸に沿ってそれぞれ正反対に配設された加速度検知電極構造体418〜421,426〜429及び422〜425,430〜433を有する。加速度検知電極構造体418〜433の各々は、それぞれの質量の表面上に配設された第1の電極と、この第1の電極に対向する基板401の表面上に配設された第2の電極とを有して、第1及び第2の電極間の距離に基づいて変化する容量値を持つ差動容量を形成する。そのような容量値は、それぞれ回転軸X,Y及び加速度軸Zに対する角速度検知及び加速度検知に属する情報を含んだ電気的に独立した加速度検知信号を与えることに使用される。
Multi-sensor 400 also includes acceleration sensing electrode structures 418-421, 426-429 and 422-425, 430-433 disposed diametrically opposite along the vertical and horizontal axes of
例えば、加速度検知電極構造体418〜419と、420〜421と、426〜427と、428〜429は、それぞれ加速度の示度Az+ay(w)及びAz−ay(w)と、Bz+by(w)及びBz−by(w)と、Cz+cy(w)及びCz−cy(w)と、Dz+dy(w)及びDz−dy(w)とを与えることに使用される。ここで、Az,Bz,Cz及びDzは、加速度軸Zに対する線形加速度成分であり、またay(w),by(w),cy(w)及びdy(w)は、回転軸Yに対する経時変化性の回転加速度成分である。更に、加速度検知電極構造体422〜423と、430〜431と、424〜425と、432〜433は、それぞれ加速度の示度Az+ax(w)及びAz−ax(w)と、Bz+bx(w)及びBz−bx(w)と、Cz+cx(w)及びCz−cx(w)と、Dz+dx(w)及びDz−dx(w)を与えることに使用される。ここで、ax(w),bx(w),cx(w)及びdx(w)は、回転軸Xに対する経時変化性の回転加速度成分である。それぞれの加速度を好適に減算することによって、線形成分をキャンセルして、回転軸X及びYに対する角速度検知に属する情報を含んだ回転成分を残すことになる。更に、それぞれの加速度を好適に加算することによって、回転成分をキャンセルして、加速度軸Zに対する加速度検知に属する情報を含んだ線形成分を残すことになる。
For example, acceleration
図5は、微細加工マルチセンサ400(図4参照)の詳細平面図500を示している。図5に示されるように、微細加工マルチセンサ500は、2対の加速度計502,504及び506,508を備える。加速度計502,504,506及び508は、複数の撓み体によって基板501に固定されると共に、その上に懸架された実質的に四角形状の質量503,505,507及び509をそれぞれ有する。具体的に、質量503を固定及び懸架する撓み構造体の各々は、アンカー570と、応力軽減部材560とを有する。質量505を固定/懸架する各撓み体は、アンカー572と、応力軽減部材562とを有する。質量507を固定/懸架する各撓み体は、アンカー574と、応力軽減部材564とを有する。質量509を固定/懸架する各撓み体は、アンカー576と、応力軽減部材566とを有する。ここで留意されるべき点は、アンカー/応力軽減部材の対は、それぞれの質量503,505,507及び509の縦及び横軸に沿って配設されている、ということである。応力軽減部材260及び262(図2参照)と同様に、応力軽減部材560、562,564及び566の各々は、応力を軽減するように中心を自由にして半分に折り畳まれている。この構成は、復元力およびモーメントの局部的非対称性を幾分生じさせるので、折り畳まれた部材560、562,564及び566は、対として配置されてバランスを維持する(図5参照)。マルチセンサ500は更に、従来既知であるように、隣接する質量を結合して、これら質量の相対的な逆相回転移動は許容し、同相回転移動には抵抗するように構成されたフォーク部材510,512,514及び516を備える。
FIG. 5 shows a
ここで留意されるべき点は、質量503,505,507及び509と、フォーク部材510,512,514及び516は、マルチセンサ400(図4参照)の質量403,405,407及び409と、フォーク部材410,412,414及び416とそれぞれ実質的に等価である、ということである。更に、図5に示されているように、回転検知軸X及びYと加速度検知軸Zは、図4を参照して上述された回転検知軸X及びYと加速度検知軸Zに対応する。
It should be noted that the
マルチセンサ500(図5参照)は、基板501に固定された複数の駆動電極構造体540,542,544及び546を有する。これら駆動電極構造体は、質量503,505,507及び509をそれぞれ回転振動させて、隣接する質量が逆相で振動するように構成されている。駆動電極構造体540,542,544及び546の各々は、質量の半径軸に沿って配設された複数の指を有する。これらの指は、質量の少なくとも1つの半径エッジから延びた対応する複数の指と噛み合わされている。好ましい実施形態では、駆動電極構造体540,542,544及び546は、それぞれ質量503,505,507及び509上に対角的に配設されている。
The multi-sensor 500 (see FIG. 5) has a plurality of
マルチセンサ500はまた、基板501に固定されると共に質量503,505,507及び509の振動速度をそれぞれ検知するように構成された複数の速度検知電極構造体550,552,554及び556を有する。駆動電極構造体540,542,544及び546と同様に、速度検知電極構造体550,552,554及び556の各々は、質量の半径軸に沿って配設された複数の指を有する。これらの指は、質量の少なくとも1つの半径エッジから延びた対応する複数の指と噛み合わされている。図示の実施形態では、速度検知電極構造体550,552,554及び556は、質量503,505,507及び509の横軸に沿ってそれぞれ配設されている。ここで留意されるべき点は、図5において“+”及び“−”符号は、マルチセンサ500が質量の半径軸(符号なし)を中心として回転するときに、質量に加えられたコリオリの力に起因して振動する質量503,505,507及び509の偏向の相対方向を示すことに使用されている、ということである。
Multi-sensor 500 also includes a plurality of velocity
ここで認められるべき点は、加速度計502,504,506及び508と、フォーク部材510,512,514及び516は、マルチセンサ500の横対称軸の各側に、また縦対称軸の各側に、鏡像式に配置されている、ということである。従って、マルチセンサ500は、対称的にダイ(図示せず)上で中心決めされて、マルチセンサ500の性能に対するダイ表面積歪み及び勾配の有害な影響を低減することができる。
It should be noted that the
ここに開示されたマルチセンサ200(図2参照)のような微細加工マルチセンサを動作させる方法が、図6を参照することによって説明される。ステップ602に示されているように、質量203及び205は、それぞれ回転軸282及び284を中心として逆相で回転振動させられる。この間、マルチセンサ200は線形/回転運動を受ける。ここで理解されるべき点は、回転の軸X及びYはセンサ基板201の面内にあり、そして線形加速度の軸Zは回転軸に垂直である、ということである。次に、ステップ604に示されているように、加速度検知電極構造体208〜209によってそれぞれ発生された加速度検知信号Az+ay(w)及びAz−ay(w)は減算され、検知信号の差2ay(w)を生成する。また、ステップ604に示されているように、加速度検知電極構造体210〜211によってそれぞれ発生された加速度検知信号Bz+by(w)及びBz−by(w)は減算され、検知信号の差2by(w)を生成する。それから、ステップ606に示されているように、信号2ay(w)及び2by(w)は加算されて、信号の和2ay(w)+2by(w)を生成する。この和は、回転軸Yに対する角速度検知に属する情報(Y−回転)を含んでいる。次に、ステップ608に示されているように、加速度検知電極構造体212〜213によってそれぞれ発生された加速度検知信号Az+ax(w)及びAz−ax(w)を減算して検知信号の差2ax(w)を生成する。また、ステップ608に示されているように、加速度検知電極構造体214〜215によってそれぞれ発生されたBz+bx(w)及びBz−bx(w)を減算して検知信号の差2bx(w)を生成する。それから、ステップ610に示されているように、信号2ax(w)及び2bx(w)は加算されて、信号の和2ax(w)+2bx(w)を生成する。この和は、回転軸Xに対する角速度検知に属する情報(X−回転)を含んでいる。最後に、ステップ612に示されているように、信号Az+ay(w),Az−ay(w),Bz+by(w),Bz−by(w),Az+ax(w),Az−ax(w),Bz+bx(w)及びBz−bx(w)は加算されて、和4Az+4Bzを生成する。この和は、加速度軸Zに対する加速度検知に属する情報(Z−加速度)を含んでいる。
A method of operating a microfabricated multi-sensor such as the multi-sensor 200 disclosed herein (see FIG. 2) will be described with reference to FIG. As shown in
ここに開示された微細加工マルチセンサを製造する方法が、図7a〜7d、図8a〜8b、及び図9を参照することによって示されている。図7a〜7dは、微細加工マルチセンサ500(図5参照)の機能部品の詳細図を示している。具体的に、図7aは、アンカー774及び応力緩和部材764を有した撓み体700aを示している。撓み体700aは、図5に示されたアンカー574及び応力緩和部材564を有した撓み体と同様である。更に、図7bは、電極部分744〜745を有した駆動電極構造体700bを示している。駆動電極構造体700bは、図5に示された駆動電極構造体544と同様である。図7a〜7dはまた、センサ装置を製造するための所定マスクパターンの形成に使用され得る直線状グリッド720の概念図を示している。図7a〜7dに示されているように、直線状グリッド720は、複数の水平及び垂直の空間を有する。
A method of manufacturing the microfabricated multisensor disclosed herein is illustrated by reference to FIGS. 7a-7d, 8a-8b, and FIG. 7a to 7d show detailed views of functional components of the microfabricated multisensor 500 (see FIG. 5). Specifically, FIG. 7 a shows a
ここで認められるべき点は、ここに開示された微細加工マルチセンサは、基板表面上のアラインメントがセンサ装置の最適性能にとって重要な多数の機能部品を有する、ということである。例えば、撓み体700a(図7a参照)のような特別な撓み体のアラインメントは、一般に最適センサ性能にとって重要である。ここで更に認められるべき点は、微細加工マルチセンサは、基板表面上のアラインメントがセンサ装置の最適性能にとっては重要でない多数の機能部品を有する、ということである。例えば、駆動電極構造体700b(図7b参照)のアラインメントは、一般に最適センサ性能にとっては重要でない。ここで留意されるべき点は、速度検知電極構造体550,552,554及び556(図5参照)のアラインメントもまた、一般に最適センサ性能にとっては重要でない、ということである。
It should be appreciated that the microfabricated multisensor disclosed herein has a large number of functional components where alignment on the substrate surface is critical to the optimal performance of the sensor device. For example, special flexure alignment, such as flexure 700a (see FIG. 7a), is generally important for optimal sensor performance. It should be further appreciated that microfabricated multi-sensors have a large number of functional components whose alignment on the substrate surface is not critical to the optimal performance of the sensor device. For example, the alignment of the
好ましい実施形態において、基板表面上に重要な(臨界的な)アラインメントを有する機能部品は、マスクパターンによって規定され、それに関連したそれぞれの重要な軸、例えば撓み体700aの縦軸La(図7a参照)は、マスクの水平又は垂直軸と実質的に平行になる。換言すれば、臨界的に整列された機能部品は、マスクの水平又は垂直軸と平行に又はその軸上に方位付けされる。例えば、撓み体700aは、直線状グリッド720を形成する水平線(番号なし)と実質的に平行である。この水平線は、この例ではマスクの水平軸と平行である。ここで留意されるべき点は、この例では、直線状グリッド720を形成する垂直線(番号なし)は、マスクの垂直軸と平行である、ということである。更に、基板表面上に重要でない(非臨界的な)アラインメントを有する機能部品は、マスクパターンによって規定され、それに関連したそれぞれの重要でない軸、例えば駆動電極構造体700bの縦軸Lb(図7b参照)は、マスクの水平及び垂直軸とは平行にならない。即ち、重要でない機能部品は、水平及び垂直マスク軸外に方位付けされる。例えば、駆動電極構造体700bは、直線状グリッド720の水平又は垂直線と平行ではない。
In a preferred embodiment, the functional component having a critical (critical) alignment on the substrate surface is defined by the mask pattern and is associated with its respective critical axis, for example the longitudinal axis L a (FIG. 7a) of the
この結果、電極部分744〜745と、この電極部分744〜745から延びて噛み合わされた指(番号なし)は、電極構造体を規定することに使用された直線状グリッド720の水平及び垂直の空間に起因して、階段状の外形を有する。これに対し、撓み体700aの外形は階段状ではなく、その代わりに部品の重要な水平及び垂直アラインメントを容易にする実質的な直線によって構成されている。駆動電極構造体700bの外形は階段状の区画によって構成されているので、そのような重要な部品のアラインメントを達成することは困難である。
As a result, the electrode portions 744-745 and the fingers (not numbered) extending from the electrode portions 744-745 and meshed together are the horizontal and vertical spaces of the
ここに開示されたマルチセンサ装置用のマスクパターンを形成することに直線状グリッド720を使用すると、撓み体の幅を規定する正確さの欠如につながる。具体的に、撓み体の剛性が一般的に変化するのは、撓み体の幅の立方、従ってその幅の比較的小さな誤差が、撓み体の剛性に過大な効果を有するときである。質量を基板上に固定及び懸架している撓み体の剛性が本質的に同一ではない場合、回転している質量の懸架中心は、その慣性中心に対応することはない。この結果、円滑に回転する代わりに、質量は平行移動する傾向を有することになる。即ち、質量は“揺れる”ことになる。このことは、振動の駆動モードを直接検知運動に結合し、比較的大きな干渉信号を生成する。実際のマルチセンサでは、そのような干渉を駆動振動の約10ppm以下に保つことが望ましい。この干渉は、そのように比較的小さなレベルであっても、最大コリオリ信号に匹敵する。
The use of the
ここで開示されたマルチセンサの各撓み体の幅は約2ミクロンであるので、この幅の精度要件を満足するのは、困難な制約である。マスク作成プロセスは、製作図を、直線状グリッド例えばグリッド720(図7a〜7d参照)上に移転することを典型的に含む。上述したように、撓み体がグリッドと整列されていない場合、それらそれぞれの外形は、グリッド上の階段状近似に順応させられる。一般には、与えられた角度に対する異なるいくつかの近似があり、またこれら近似を発生するための既存のアルゴリズムは複雑である。この結果、同じ構造体上にある2つの同一の撓み体が直線状グリッドと整列されていない場合に、これら撓み体が同一の幅を有することを保証する容易な方法は現在ない。 Since the width of each flexure of the disclosed multisensor is about 2 microns, meeting this width accuracy requirement is a difficult constraint. The mask making process typically involves transferring the production drawing onto a linear grid, such as grid 720 (see FIGS. 7a-7d). As described above, when the flexures are not aligned with the grid, their respective outlines are adapted to a stepped approximation on the grid. In general, there are several different approximations for a given angle, and existing algorithms for generating these approximations are complex. As a result, there is currently no easy way to ensure that if two identical flexures on the same structure are not aligned with the linear grid, they have the same width.
図7c〜7dは、2つの代表的な同一の撓み体700c〜700dを示している。これら撓み体は、微細加工マルチセンサ500(図5参照)に含まれることがある。図7c〜7dに示されているように、撓み体700c〜700dは、マスクパターンによって規定され、それぞれの縦軸Lc及びLdは、水平及び垂直マスク軸外に方位付けされている。更に、撓み体700c〜700dは、傾斜線部分701c〜701dにそれぞれ対応した互い違いのグリッド点を有する。これらグリッド点は、それぞれの線701c〜701dからほぼ同じ平均偏位を持つ。傾斜線701cに対応した互い違いのグリッド点は、有効撓み体幅Wcを生じさせ、また傾斜線701dに対応した互い違いのグリッド点は、有効撓み体幅Wdを生じさせる。しかしながら、撓み体700c〜700dが同一であっても、撓み体700dの有効幅Wdは、撓み体700cの有効幅Wcよりも大きい。従って、撓み体700c〜700dがマルチセンサの適正な動作にとって重要である場合、例えば、撓み体700c〜700dが質量を基板の上に固定/懸架する重要な機能を有している場合、撓み体700c〜700dは、マスクパターンによって規定され、それぞれの軸Lc及びLdは、撓み体700a(図7a参照)と同様に、マスクの水平又は垂直軸と平行に又はその軸上に方位付けされる。
Figures 7c-7d show two representative
図8a〜8bは、図解的微細加工マルチセンサの断面図800a〜800bを示している。ここで認められるべき点は、図8a〜8bの微細加工マルチセンサは、犠牲及び構造材料の複数層を使用する表面微細加工によっても製造される、ということである。この図解的実施形態において、微細加工マルチセンサ800aは、シリコン(Si)又は他の好適な材料によって形成された基板802を有する。基板表面には、犠牲材料(例えば、二酸化シリコンSiO2)の層の複数部分が堆積されている。この犠牲材料は、製造プロセスの最終工程で除去される。犠牲材料が随意にエッチングされた後に、構造材料(例えば、ポリシリコン)の層806が犠牲層805上に堆積される。ここで留意されるべき点は、構造層806もまたエッチングされる、ということである。更に、電子回路が、センサ装置の構造層806に近い1以上の領域804に組み込まれることもある。図8bに示されているように、その後、犠牲層805をエッチングするか、そうでなければ除去して、構造層806が少なくとも1つの支柱808によって基板802に固定される。このようにすることによって、構造材料の層806は離される。例えば、図8bに示されるように、基板802は、約3mmの幅Aを有し、構造層806は、約1mmの全幅Bと約4μmの厚みCを有し、構造層806の離された領域は、基板表面から約2μmの距離D離れている。
8a-8b show
ここに開示された微細加工マルチセンサを製造する方法は、図9を参照することによって、より良く理解されることになる。ステップ902に示されるように、犠牲又は構造材料の層が基板の表面上に堆積される。次に、犠牲又は構造材料の層は、ステップ904に示されるように、所定のマスクパターンでマスクされる。上述したように、マスクパターンは、センサ装置の機能部品を規定することに使用される。機能部品が、センサ装置の最適性能にとって重要なアラインメント及び/又は物理的寸法を持つ場合、ステップ906に示されるように、その部品はマスクパターンによって規定されて、マスクの水平又は垂直軸に平行に又はその軸上に方位付けされる。部品アラインメントがセンサ性能にとって重要でない場合、ステップ908に示されるように、その部品はマスクパターンによって規定されて、マスクの水平及び垂直軸外に方位付けされる。次に、マスクによって保護されていない下地材料は、ステップ910に示されるように、好適にエッチングされて、マスクパターンをその特別な材料層に転写する。堆積するステップ、マスクするステップ、エッチングするステップ902,904及び910は、微細加工センサ装置の機能部品の構築が完了されるまで繰り返される。最後に、ステップ912に示されるように、構造材料の1以上の部分は、下地及び/又は周囲の犠牲材料をエッチングするかそうでなければ除去することによって離される。
The method of manufacturing the microfabricated multisensor disclosed herein will be better understood with reference to FIG. As shown in step 902, a layer of sacrificial or structural material is deposited on the surface of the substrate. Next, the layer of sacrificial or structural material is masked with a predetermined mask pattern, as shown in
上述した軸上及び軸外の方位を有する微細加工装置構造体に対し、ここで開示された発明的概念を逸脱することなしに、修正や変形がなされ得る点は、当業者によって更に認められるであろう。従って、この発明は、添付の請求の範囲の精神及び範囲による以外には限定されるものではない、とみなされるべきである。 It will be further appreciated by those skilled in the art that modifications and variations can be made to the microfabrication device structures having the on-axis and off-axis orientations described above without departing from the inventive concept disclosed herein. I will. Accordingly, the invention should not be viewed as limited except as by the spirit and scope of the appended claims.
100 微細加工マルチセンサ
101 基板
102、104 加速度計
103、105 円形質量
106 結合フォーク
108〜115 加速度検知電極構造体
142、144 回転軸
DESCRIPTION OF
Claims (11)
少なくとも1つの層を前記基板の表面上に堆積する工程と、
該堆積層を所定のマスクパターンを使用してマスクする工程と、
該マスク層をエッチングしてその層にマスクパターンを転写する工程とを備え、
前記マスクする工程において、前記マスクパターンは、水平軸と垂直軸を有し、前記堆積層の上に前記微細加工マルチセンサの第1の部品に対応する第1の領域と、前記微細加工マルチセンサの第2の部品に対応する第2の領域をそれぞれ規定するように構成され、かつ、該第1の領域は、前記第1の物理的寸法の所定の精度要件を満たすため、前記マスクパターンの水平軸又は垂直軸に実質的に平行に方位付けされた第1の軸を有すると共に、該第2の領域は、前記マスクパターンの水平軸及び垂直軸の外に方位付けされた第2の軸を有していることを特徴とする方法。Micromachining a multi sensor a method for processing a substrate, said microfabricated multi-sensor has at least one first component having a first physical dimensions or alignment with a predetermined accuracy requirements on the substrate When, and at least one second component having a second physical dimensions or alignment on the substrate, the method comprising
Depositing at least one layer on the surface of the substrate;
A step of masking by the deposition layer using a predetermined mask pattern,
Etching the mask layer and transferring a mask pattern to the layer,
In the step of the mask, the mask pattern has a horizontal and vertical axes, a first region corresponding to the first part of the fine processing multi-sensor on the deposited layer, the fine processing multi-sensor A second region corresponding to each of the second parts, and the first region satisfies a predetermined accuracy requirement of the first physical dimension, so that the first region of the mask pattern has a first axis that is substantially oriented parallel to the horizontal or vertical axis, the region of said second, second axis, which is oriented to the outside of the horizontal and vertical axes of the mask pattern wherein the has a.
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